天然气井可调式井下节流工艺设计研究

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天然气井可调式井下节流工艺设计研究
王　强 大港油田公司第五采油厂
【摘　要】为了解决投捞式天然气气井井下节流工艺存在的调节生产困难大，起下节流器操作复杂的问题，结合已有的气井井下节流工艺技术，研制一种新型的井下节流装置，并配套井口工艺流程和井下管柱工艺设计，实现气井生产过程中，节流嘴的简便调节。

设计的主要内容是考虑节流嘴与节流装置的在生产过程中的坐封和调节过程中的有效分离，工艺实施投产后，通过井口流程的切换，节流嘴可以依靠气井自身的压力完成安装和更换，无需投捞用的设备、设施，使得气井节流工艺更具适应性。

【关键词】井下节流工艺；节流装置；节流嘴；天然气水合物；井筒温度
井下节流技术是利用井下节流器防止水合物生产的一种采气工艺技术。

天然气在管道中流动，通过骤然缩小的孔道，由于受到能量守恒和质量守恒的制约，管道流体需要降压增速，这种现象称为节流。

利用节流可以达到降压或是调节流量的目的。

管道流体经过节流后，体积急剧膨胀，内能转化为机械能，此过程可以看作绝热过程，流体温度下降，达到天然气水合物生产的条件。

在防止水合物生产的方面，考虑到较高的地层温度，可以很好的防止水合物的生成，而且不需要在地面建设设备设施，只要把节流嘴放置于井下合适的深度，气体通过井下节流嘴达实现压力的阶跃性降低和温度的缓坡式降低。

一、可调式井下节流器设计
现有井下节流器主要有活动式井下节流器和固定式井下节流器两种，二者的区别在于坐放的方式不同，固定式节流器有工作筒，节流器通过绳索作业坐放在工作筒内，而活动式节流器是直接卡定在油管上，坐放的位置可调。

但无论是活动式井下节流器还是固定式井下节流器，节流装置一旦安装到位，节流嘴就不能根据生产的需要方便自由的调节；确实需要调节时，需要带压实施节流器的投捞作业，在地面对节流嘴进行调整更换。

1.投捞式井下节流器
活动式井下节流器和固定式井下节流器都是投捞式井下节流器，都需要投捞作业，操作复杂，一旦投放就很难调节节流嘴。

2.可调式井下节流器
鉴于投捞作业存在的相关问题，实现节流嘴的灵活调节，研制一种新型的节流器，该种节流器不需投捞，利用气井自身的能量就能实现生产过程中的节流嘴的调节，以满足生产需
求。

图2　可调式井下节流器设计示意图
可调式井下节流器由油管接头、节流筒、装置筒和节流芯四部分组成。

可调式井下节流器通过油管接头与生产油管连接，把节流筒放置到预定的井下位置；然后装置筒通过工作油管，下放至节流筒内，实现装置筒与节流筒之间的密封；坐封完成后，节流芯子通过井口采油树流程投放至工作管内，节流芯子在工作筒内做自由落体，最后以一定的速度坐放在节流筒内，这样就实现了可调式节流器的安装。

二、可调式井下节流工艺设计
可调式井下节流工艺方法设计是在工艺流程上进行了可行性的原理论证，然后对工艺方法存在的隐患因素进行分析论证，最后形成一套基于一定事实依据的工艺方法，以此满足实
际的生产应用。

1.可调式井下节流工艺流程设计
在可调式井下节流器可行性研究的基础上，设计完成一整套的生产工艺配套设计。

首先，采油树设计为“流体转向式采气树”，通过相关闸门的开关，可以实现生产油管和工作管的联通。

当需要投放节流芯时，节流芯靠自身重力逐步加速，并以一定的速度匀速下行至预定位置，达到节流嘴的控制生产状态。

当需要启出节流嘴时，工作管内压力降低，井底压力把节流芯顶出工作管，实现节流芯的回收。

2.可调式井下节流工艺缺陷分析及防范措施
可调式井下节流工艺相比投捞式井下节流工艺避免了投捞所带来的安全风险，主要是节流芯子在下放坐封和上行接收的过程中，可能会对坐封和接收装置产生较大的撞击力，设计合理的节流芯总体重量。

节流芯在下放过程中，由于受到重力不断加速，随着流速的增大，节流芯所受的管内流体阻力也不断增大，直至阻力与重力平衡，节流芯达到匀速运动的状态，直至坐封。

节流芯下行过程，其头部的起降翼与工作管过盈配合，可以产生较大的阻力，在很短的时间里就可以是节流芯达到平衡状态，参照流体滞止点处压力计算公式。

设单井气压大于6MPa，工作管内径DN=40mm，节流芯质量为2kg，可求得速度v≈24m/s，根据动量计算公式，当节流芯坐封时，可以估算出撞击力为288公斤，小于投捞式节流器300公斤的坐封压力。

节流芯以24m/s的速度下行，要达到预设的1400-2000m的井下位置，预计所需时间不大于2min。

同样，节流芯在上行过程中，只要保持一定的压力差，控制节流芯速度不大于24m/s，在预定的时间就可以安全接收到节流芯。

三、结论
针对现有投捞式节流器存在的操作复杂，作业时间长，不能满足频繁性调节生产参数的情况，研制一种新型的井下节流装置，该种装置可以实现生产过程中的节流嘴的调节，无需投劳作业，可以极大的满足现场的生产需求。

通过相关设计和理论计算，可调式井下节流工艺有以下特点：（1）节流嘴安置于节流芯内，节流芯与节流装置可以在控制下实现自我分离。

（2）在生产过程中，节流芯上部工作管与井底联通以维持稳定的气压，保障节流嘴不与节流装置脱离。

（3）新配套工艺通过井口流程的倒换就能很方便的实现节流嘴的投放和启出，达到了设计的目的。

（4）新工艺无需投劳作业，操作简便，不仅保障了生产时率，而且节约了措施费用。

（5）经过相关理论计算，新型节流装置存在的碰撞风险在合理的范围值内，本套工艺技术在气井井下节流方面更加的可靠、适用。

参考文献：
[1]陈赓良.天然气采输过程中水合物的形成与防治.天然气工业,2004,24(1):89-91.
[2]王少杰,顾牧.新编基础物理学.第2版.北京：科学出版社,2009.[3]李颖川,胡顺渠,等.天然气节流温降机理模型.天然气工业,2003,23(3).。